FROST
Με λίγα λόγια
- Το FROST (Flexible Round-Optimised Schnorr Threshold Signatures) είναι ένα πρωτόκολλο υπογραφών κατωφλίου και κατανεμημένης δημιουργίας κλειδιών: αρκετοί υπογράφοντες κατέχουν ο καθένας ένα μερίδιο ενός κοινού ιδιωτικού κλειδιού και ένας αριθμός τους ίσος με το κατώφλι πρέπει να συνεργαστεί για να παραγάγει μία υπογραφή.
- Επειδή το αποτέλεσμα είναι μία μόνο υπογραφή Schnorr, μια συναλλαγή που πραγματοποιείται με αυτόν τον τρόπο μοιάζει με συνηθισμένη συναλλαγή στο δίκτυο.
- Απαιτεί ελάχιστους γύρους επικοινωνίας, μπορεί να εκτελείται παράλληλα και μπορεί να εντοπίζει και να αποκλείει έναν συμμετέχοντα που συμπεριφέρεται εσφαλμένα.
- Για το Zcash, αυτό σημαίνει ότι το FROST επιτρέπει σε πολλαπλά, γεωγραφικά διαχωρισμένα μέρη να ελέγχουν την εξουσιοδότηση δαπάνης θωρακισμένων ZEC — χρήσιμο για custody, escrow, non-custodial υπηρεσίες και Zcash Shielded Assets (ZSA).
- Δημιουργήθηκε από την Chelsea Komlo (University of Waterloo, Zcash Foundation) και τον Ian Goldberg (University of Waterloo).
Βασική εξήγηση
Τι είναι μια υπογραφή Schnorr;
Μια ψηφιακή υπογραφή Schnorr είναι ένα σύνολο αλγορίθμων: (KeyGen, Sign, Verify).
Οι υπογραφές Schnorr έχουν αρκετά πλεονεκτήματα. Ένα βασικό πλεονέκτημα είναι ότι, όταν χρησιμοποιούνται πολλαπλά κλειδιά για την υπογραφή του ίδιου μηνύματος, οι υπογραφές που προκύπτουν μπορούν να συνδυαστούν σε μία μόνο υπογραφή. Αυτό μπορεί να μειώσει σημαντικά το μέγεθος των multisig πληρωμών και άλλων συναλλαγών που σχετίζονται με multisig.
Τι είναι το FROST;
Flexible Round-Optimised Schnorr Threshold Signatures -
Δημιουργήθηκε από την Chelsea Komlo (University of Waterloo, Zcash Foundation) και τον Ian Goldberg (University of Waterloo).
Το FROST είναι ένα πρωτόκολλο υπογραφών κατωφλίου και κατανεμημένης δημιουργίας κλειδιών που απαιτεί ελάχιστους γύρους επικοινωνίας και μπορεί να εκτελείται παράλληλα. Το πρωτόκολλο FROST είναι μια εκδοχή κατωφλίου του σχήματος υπογραφής Schnorr.
Σε αντίθεση με τις υπογραφές σε περιβάλλον ενός μέρους, οι υπογραφές κατωφλίου απαιτούν συνεργασία μεταξύ ενός αριθμού υπογραφόντων ίσου με το κατώφλι, όπου ο καθένας κατέχει ένα μερίδιο ενός κοινού ιδιωτικού κλειδιού.
Τι είναι οι υπογραφές κατωφλίου; Chelsea Komlo - Zcon3
Κατά συνέπεια, η δημιουργία υπογραφών σε περιβάλλον κατωφλίου επιβαρύνεται λόγω των γύρων δικτύου μεταξύ υπογραφόντων, καθιστώντας τη δαπανηρή όταν τα μυστικά μερίδια αποθηκεύονται σε συσκευές με περιορισμούς δικτύου ή όταν ο συντονισμός πραγματοποιείται μέσω αναξιόπιστων δικτύων.
Η επιβάρυνση του δικτύου κατά τις διαδικασίες υπογραφής μειώνεται με τη χρήση μιας νέας τεχνικής που προστατεύει από επιθέσεις πλαστογράφησης και εφαρμόζεται και σε άλλα σχήματα.
Το FROST βελτιώνει τα πρωτόκολλα υπογραφών κατωφλίου επιτρέποντας την ασφαλή εκτέλεση παράλληλα απεριόριστου αριθμού διαδικασιών υπογραφής (concurrency).
Μπορεί να χρησιμοποιηθεί είτε ως πρωτόκολλο 2 γύρων, όπου οι υπογράφοντες στέλνουν και λαμβάνουν συνολικά 2 μηνύματα, είτε ως βελτιστοποιημένο πρωτόκολλο υπογραφής ενός γύρου με στάδιο προεπεξεργασίας.
Το FROST επιτυγχάνει εν μέρει τις βελτιώσεις αποδοτικότητάς του επιτρέποντας στο πρωτόκολλο να διακόπτεται παρουσία ενός συμμετέχοντα που συμπεριφέρεται εσφαλμένα, ο οποίος στη συνέχεια εντοπίζεται και αποκλείεται από μελλοντικές διαδικασίες.
Παρέχονται αποδείξεις ασφάλειας που δείχνουν ότι το FROST είναι ασφαλές έναντι επιθέσεων επιλεγμένου μηνύματος, με την προϋπόθεση ότι το πρόβλημα του διακριτού λογαρίθμου είναι δύσκολο και ότι ο αντίπαλος ελέγχει λιγότερους συμμετέχοντες από το κατώφλι, εδώ.
Πώς λειτουργεί το FROST;
Το πρωτόκολλο FROST περιέχει δύο σημαντικά στοιχεία:
Αρχικά, n συμμετέχοντες εκτελούν ένα πρωτόκολλο κατανεμημένης δημιουργίας κλειδιών (DKG) για να δημιουργήσουν ένα κοινό κλειδί επαλήθευσης. Στο τέλος, κάθε συμμετέχων λαμβάνει ένα μερίδιο ιδιωτικού μυστικού κλειδιού και ένα μερίδιο δημόσιου κλειδιού επαλήθευσης.
Στη συνέχεια, οποιοιδήποτε t από n συμμετέχοντες μπορούν να εκτελέσουν ένα πρωτόκολλο υπογραφής κατωφλίου για να δημιουργήσουν συνεργατικά μια έγκυρη υπογραφή Schnorr.
Οπτικοποίηση / Αναλογία
Σκέψου το FROST σαν μια θυρίδα ασφαλείας που ανοίγει μόνο όταν αρκετοί εξουσιοδοτημένοι κάτοχοι κλειδιών γυρίζουν τα κλειδιά τους μαζί — αλλά δεν απαιτείται κάθε κάτοχος κλειδιού· αρκεί ένας καθορισμένος αριθμός τους (για παράδειγμα, οποιοιδήποτε 3 από 5). Μόλις ανοίξει η θυρίδα, ένας εξωτερικός παρατηρητής δεν μπορεί να καταλάβει ποιοι κάτοχοι κλειδιών εμφανίστηκαν, ούτε καν ότι συμμετείχαν περισσότεροι από ένας. Με τον ίδιο τρόπο, μια ομάδα μπορεί να εξουσιοδοτήσει από κοινού μια συναλλαγή Zcash, ενώ το δίκτυο βλέπει μόνο μία υπογραφή που μοιάζει συνηθισμένη.
Εμβάθυνση
Κατανεμημένη δημιουργία κλειδιών (DKG)
Στόχος αυτής της φάσης είναι η δημιουργία μακρόβιων μυστικών μεριδίων κλειδιού και ενός κοινού κλειδιού επαλήθευσης. Αυτή η φάση εκτελείται από n συμμετέχοντες.
Το FROST βασίζει τη δική του φάση δημιουργίας κλειδιών στο DKG του Pedersen (GJKR03), το οποίο χρησιμοποιεί ως υπορουτίνες τόσο το μοίρασμα μυστικού του Shamir όσο και τα σχήματα επαληθεύσιμου μοιράσματος μυστικού του Feldman. Επιπλέον, κάθε συμμετέχων πρέπει να αποδείξει γνώση του δικού του μυστικού στέλνοντας μια απόδειξη μηδενικής γνώσης στους άλλους συμμετέχοντες, η οποία είναι η ίδια μια υπογραφή Schnorr. Αυτό το πρόσθετο βήμα προστατεύει από επιθέσεις rogue-key όταν t ≥ n/2.
Στο τέλος του πρωτοκόλλου DKG, δημιουργείται ένα κοινό κλειδί επαλήθευσης vk. Κάθε συμμετέχων Pᵢ κατέχει μια τιμή (i, skᵢ ) που είναι το μακρόβιο μυστικό μερίδιό του και ένα μερίδιο κλειδιού επαλήθευσης vkᵢ = skᵢ *G. Το μερίδιο κλειδιού επαλήθευσης vkᵢ του συμμετέχοντα Pᵢ χρησιμοποιείται από άλλους συμμετέχοντες για να επαληθεύουν την ορθότητα των μεριδίων υπογραφής του Pᵢ κατά τη φάση υπογραφής, ενώ το κλειδί επαλήθευσης vk χρησιμοποιείται από εξωτερικά μέρη για να επαληθεύουν υπογραφές που εκδίδονται από την ομάδα.
Υπογραφή κατωφλίου
Αυτή η φάση βασίζεται σε γνωστές τεχνικές που χρησιμοποιούν προσθετικό μοίρασμα μυστικού και μετατροπή μεριδίων για τη μη διαδραστική δημιουργία του nonce για κάθε υπογραφή. Αξιοποιεί επίσης τεχνικές δέσμευσης για την αποφυγή γνωστών επιθέσεων πλαστογράφησης χωρίς περιορισμό του concurrency.
Στο στάδιο προεπεξεργασίας, κάθε συμμετέχων προετοιμάζει έναν σταθερό αριθμό ζευγών σημείων Ελλειπτικής Curve (EC) για μετέπειτα χρήση. Αυτό το στάδιο εκτελείται μία φορά σε πολλαπλές φάσεις υπογραφής κατωφλίου.
Γύρος υπογραφής 1: Κάθε συμμετέχων Pᵢ ξεκινά δημιουργώντας ένα ζεύγος ιδιωτικών nonce μίας χρήσης (dᵢ, eᵢ) και το αντίστοιχο ζεύγος σημείων EC (Dᵢ, Eᵢ), και στη συνέχεια μεταδίδει αυτό το ζεύγος σημείων σε όλους τους άλλους συμμετέχοντες. Κάθε συμμετέχων αποθηκεύει αυτά τα ζεύγη σημείων EC για μετέπειτα χρήση. Οι γύροι υπογραφής 2 και 3 είναι οι πραγματικές διαδικασίες στις οποίες t από n συμμετέχοντες συνεργάζονται για να δημιουργήσουν μια έγκυρη υπογραφή Schnorr.
Γύρος υπογραφής 2: Οι συμμετέχοντες συνεργάζονται για να δημιουργήσουν μια έγκυρη υπογραφή Schnorr. Η βασική τεχνική πίσω από αυτόν τον γύρο είναι το προσθετικό μοίρασμα μυστικού t-από-t.
Αυτό το βήμα αποτρέπει επιθέσεις πλαστογράφησης επειδή οι επιτιθέμενοι δεν μπορούν να συνδυάσουν μερίδια υπογραφής μεταξύ διαφορετικών διαδικασιών υπογραφής ούτε να μεταθέσουν το σύνολο υπογραφόντων ή τα δημοσιευμένα σημεία για κάθε υπογράφοντα.
Αφού υπολογίσει την πρόκληση c, κάθε συμμετέχων μπορεί να υπολογίσει την απόκριση zᵢ χρησιμοποιώντας τα nonce μίας χρήσης και τα μακροπρόθεσμα μυστικά μερίδια, τα οποία είναι μυστικά μερίδια Shamir t-από-n (βαθμού t-1) του μακρόβιου κλειδιού της ομάδας. Στο τέλος του γύρου υπογραφής 2, κάθε συμμετέχων μεταδίδει το zᵢ στους άλλους συμμετέχοντες.
Διάβασε την πλήρη εργασία
Χρήση του FROST στο ευρύτερο οικοσύστημα
Το FROST στο Coinbase
Για να βελτιώσουν την αποδοτικότητα των συστημάτων υπογραφής κατωφλίου του Coinbase, ανέπτυξαν μια έκδοση του FROST. Αυτή η υλοποίηση του Coinbase κάνει μικρές αλλαγές από το αρχικό προσχέδιο του FROST.
Επέλεξαν να μη χρησιμοποιήσουν τον ρόλο του συγκεντρωτή υπογραφών. Αντίθετα, κάθε συμμετέχων είναι συγκεντρωτής υπογραφών. Αυτός ο σχεδιασμός είναι ασφαλέστερος: όλοι οι συμμετέχοντες στο πρωτόκολλο επαληθεύουν τους υπολογισμούς των άλλων, επιτυγχάνοντας έτσι υψηλότερο επίπεδο ασφάλειας και μειώνοντας τον κίνδυνο. Το εφάπαξ στάδιο προεπεξεργασίας αφαιρέθηκε επίσης για να επιταχυνθεί η υλοποίηση, χρησιμοποιώντας αντ’ αυτού έναν τρίτο γύρο υπογραφής.
ROAST από το Blockstream
Μια βελτίωση του FROST ειδική για εφαρμογές προτείνεται για χρήση στο Blockstream Liquid Sidechain για το Bitcoin.
«Το ROAST είναι ένα απλό περιτύλιγμα γύρω από σχήματα υπογραφών κατωφλίου όπως το FROST. Εγγυάται ότι μια απαρτία έντιμων υπογραφόντων, π.χ. οι Liquid functionaries, μπορεί πάντα να λάβει μια έγκυρη υπογραφή ακόμη και παρουσία υπογραφόντων που διαταράσσουν τη διαδικασία, όταν οι συνδέσεις δικτύου έχουν αυθαίρετα υψηλή καθυστέρηση.»
Το FROST στο IETF
Το Internet Engineering Task Force, που ιδρύθηκε το 1986, είναι ο κορυφαίος οργανισμός ανάπτυξης προτύπων για το Διαδίκτυο. Το IETF αναπτύσσει εθελοντικά πρότυπα που συχνά υιοθετούνται από χρήστες του Διαδικτύου, διαχειριστές δικτύων και προμηθευτές εξοπλισμού, συμβάλλοντας στη διαμόρφωση της πορείας του Διαδικτύου.
Η έκδοση 11 του FROST (παραλλαγή δύο γύρων) έχει υποβληθεί στο IRTF. Αυτό είναι ένα σημαντικό βήμα προς την πλήρη αξιολόγηση του FROST ως νέου προτύπου σχήματος υπογραφών κατωφλίου για χρήση σε ολόκληρο το Διαδίκτυο, σε hardware συσκευές και σε άλλες υπηρεσίες τα επόμενα χρόνια.
Πρακτικές επιπτώσεις
Απολύτως ναι. Η εισαγωγή του FROST στο Zcash θα επιτρέψει σε πολλαπλά μέρη, γεωγραφικά διαχωρισμένα, να ελέγχουν την εξουσιοδότηση δαπάνης θωρακισμένων ZEC. Οι συναλλαγές που μεταδίδονται χρησιμοποιώντας αυτό το σχήμα υπογραφής θα είναι αδιαχώριστες από άλλες συναλλαγές στο δίκτυο, διατηρώντας ισχυρή αντίσταση στην παρακολούθηση πληρωμών και περιορίζοντας την ποσότητα δεδομένων blockchain που είναι διαθέσιμη για ανάλυση.
Στην πράξη, αυτό επιτρέπει να δημιουργηθεί στο δίκτυο ένα ευρύ φάσμα νέων εφαρμογών, από παρόχους escrow έως άλλες non-custodial υπηρεσίες.
Το FROST θα γίνει επίσης βασικό στοιχείο στην ασφαλή έκδοση και διαχείριση των Zcash Shielded Assets (ZSA), επιτρέποντας ασφαλέστερη διαχείριση της εξουσιοδότησης δαπάνης εντός οργανισμών ανάπτυξης και από custodians του ZEC, όπως ανταλλακτήρια, ενώ παράλληλα παρέχει αυτή τη δυνατότητα σε χρήστες του Zcash.
Συνηθισμένα λάθη
Η σύγχυση του FROST με το παραδοσιακό on-chain multisig. Το παραδοσιακό multisig μπορεί να αποκαλύπτει πολλαπλούς υπογράφοντες ή πολλαπλές υπογραφές on-chain. Το FROST παράγει μία συγκεντρωτική υπογραφή Schnorr, επομένως μια συναλλαγή δεν διακρίνεται από συναλλαγή με μία υπογραφή.
Η υπόθεση ότι μπορούν να υπογράψουν λιγότεροι από το κατώφλι. Μόνο ένας αριθμός συμμετεχόντων ίσος με το κατώφλι (t-από-n) που ενεργεί από κοινού μπορεί να παραγάγει μια έγκυρη υπογραφή· οποιαδήποτε μικρότερη ομάδα δεν μπορεί.
Η υπόθεση ότι το FROST κρύβει τα πάντα off-chain. Το FROST προστατεύει την on-chain υπογραφή, αλλά ο συντονισμός μεταξύ υπογραφόντων εξακολουθεί να γίνεται off-chain και απαιτεί τους δικούς του ελέγχους ιδιωτικότητας και ασφάλειας.
Σχετικές σελίδες
- Halo — το trustless, αναδρομικό σύστημα αποδείξεων που χρησιμοποιείται στο pool Orchard του Zcash.
- Viewing Keys — επιλεκτική αποκάλυψη για θωρακισμένες συναλλαγές.
- Zcash Shielded Assets — όπου το FROST βοηθά στη διαχείριση της εξουσιοδότησης δαπάνης/έκδοσης.
- Συγχρονισμός πορτοφολιού Zcash — ένα ακόμη βασικό κομμάτι της υποδομής ιδιωτικότητας του Zcash.
Περαιτέρω μάθηση
Coinbase Άρθρο - Υπογραφές κατωφλίου
Μοίρασμα μυστικού Shamir - Επεξήγηση και παράδειγμα
Σύντομο βίντεο για τις ψηφιακές υπογραφές Schnorr
